雨天环境下高速公路可变限速控制系统与控制方法

摘要

本发明提供雨天环境下高速公路可变限速控制系统和方法，包括在车辆检测器、雨量计、可变限速标志牌和超速抓拍系统，上述设备分别与交通控制机连接，交通控制机用于接收并根据车辆检测器检测的交通流量和雨量计测量的降雨量判断找出动态瓶颈路段，利用非线性规划的二次规划算法，并结合各路段车速的约束条件，依次求出各路段的最优化限速值在可变限速标志牌上显示，依据最优化限速值控制超速抓拍系统抓拍。根据降雨强度及交通流量密度特点，通过雨量检测器、线圈检测器和分别检测降雨强度、交通流量密度，在保证高速公路安全运营的基础上，协调各路段的限制速度，并实现各路段的超速动态抓拍，使高速公路能够安全高效运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交通控制领域中的可变限速控制系统与方法，特别是针对高速公路雨天环境下的可变限速控制系统与方法。

技术背景

在我国，降雨作为一种常见的天气现象，对高速公路安全高效运营有较大的不利影响。研究表明，雨天环境下高速公路发生交通事故的概率显著增加，运用可变限速控制技术，不仅可以降低车辆行驶速度，也可减小车辆之间的速度差异，使得交通流趋向稳定、均衡状态，从而保障雨天高速公路安全、高效运行。

目前我国高速公路主要采用静态限速方式，部分高速公路虽然采用了可变限速控制方式，但缺少专门针对雨天环境的可变限速控制方法和技术，相关的专利较少。申请号为02224582.0的专利提供了一种可变限速显示装置，没有考虑降雨及交通流量等因素；申请号为201010164710.x的专利，提供了一种属于隧道安全领域的可变限速控制算法，没有考虑不良天气特别是雨天环境下的限速控制问题。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种针对雨天环境下的高速公路可变限速控制系统与控制方法，在考虑降雨强度和交通流量基础上优化各路段动态限速值，保证雨天高速公路的行车安全。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：雨天环境下高速公路可变限速控制系统，其特征在于：它包括在各路段上沿公路行驶方向设置的车辆检测器、雨量计、可变限速标志牌和超速抓拍系统，上述各设备分别与交通控制机连接，交通控制机用于接收并根据车辆检测器检测的交通流量和雨量计测量的降雨量判断找出动态瓶颈路段，利用非线性规划的二次规划算法，并结合各路段车速的约束条件，依次求出各路段的最优化限速值在对应路段的可变限速标志牌上显示，并依据最优化限速值控制超速抓拍系统对超速车辆进行抓拍；

动态瓶颈路段指降雨量最多的路段，若存在多个降雨量最多的路段，则在降雨量最多的路段中选取交通流量最多的路段。

按上述方案，所述的每路段长度为2km，每路段各设置一个车辆检测器、雨量计和可变限速标志牌，超速抓拍系统安装在各可变限速标志牌下游100m处。

按上述方案，所述的车辆检测器、雨量计、可变限速标志牌和超速抓拍系统分别通过无线网络与交通控制机连接。

按上述方案，所述的车辆检测器为环形线圈检测器。

基于雨天环境下高速公路可变限速控制系统实现的可变限速控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)通过对实时降雨量及交通流量的采集，选定动态瓶颈路段；设定周期时间，每周期选定一组动态瓶颈路段；

2)采用二次规划算法在约束条件下求解优化方程J(k)取得最小值时所对应的当前周期第i路段限速值v_c，i(k)：

$>J\left(k\right)=T\underset{j=\mathrm{kT}}{\overset{\mathrm{kT}+N_p}{\Sigma }}\left\{\underset{i\in I}{\Sigma }{\rho }_i\left(j\right)L_i{\lambda }_i\right\}+\underset{i\in I}{\Sigma }{\left[\frac{v_{c,i}\left(k\right)-v_{c,i}(k-1)}{v_{f,i}}\right]}^2;$>

式中，T为周期时间，k为当前周期所在的周期数，j为时间变量，N_p为预测时间且N_p＜T，ρ_i(j)为j时刻第i路段的交通流量密度，L_i为第i路段的长度，λ_i为第i路段的车道数，i为路段变量，I表示动态瓶颈路段的上游区域，v_c，i(k)为当前周期第i路段限速值，v_c，i(k-1)为上一周期第i路段限速值，v_f，i为第i路段自由流车速；

其中约束条件包括：v_c，i(k)在集合{40、50、60、70、80、90、100、110、120}中取值，v_c，i(k)的初始值为v_f，i；设置速度差阈值v_vary，使得v_c，i(k)-v_c，i(k-1)≤v_vary，v_c，i(k)-v_c，i+1(k)≤v_vary，v_c，i(k)-v_c，i+1(k-1)≤v_vary，其中v_c，i+1(k)为第i+1路段第k周期限速值，v_c，i+1(k-1)为第i+1路段第k-1周期限速值；各路段的交通流量密度与速度的关系为$>v_{c,i}\left(k\right)\le \left\{120\exp \right[-\frac{1}{1.64}{\left(\frac{{\rho }_i\left(k\right)}{180}\right)}^{1.64}\left]\right\},$>式中ρ_i(k)为第k周期平均交通流量密度；

3)将各路段当前周期的限速值发送给对应的可变限速标志牌显示，并发送给对应的超速抓拍系统根据当前限速值对抓拍阈值进行调整，并实施抓拍。

按上述方案，所述的约束条件还包括：设置最大限速值v_max和最小限速值v_min，使得v_min≤v_c，i(k)≤v_max；当降雨强度不大于1.0mm/h时，v_max＝100km/h；当降雨强度大于1.0mm/h且不大于2.6mm/h时，v_max＝90km/h；当降雨强度大于2.6mm/h且不大于4.4mm/h时，v_max＝80km/h；当降雨强度大于4.4mm/h时，v_max＝60km/h。

按上述方案，在超速抓拍系统抓拍时，若抓拍速度基准值V₀大于v_c，i(k)，则将v_c，i(k)的数值在延时时间t后赋给V₀。

本发明的有益效果为：

1、本发明系统及方法根据降雨强度及交通流量密度特点，通过雨量检测器、线圈检测器和分别检测降雨强度、交通流量密度，在保证高速公路安全运营的基础上，协调各路段的限制速度，并实现各路段的超速动态抓拍，使高速公路能够安全高效运行。

2、将高速公路以2公里的长度分成若干个控制路段，在每个区域安装车辆检测器、雨量计和可变限速标志牌，由于高速公路跨越多地区，在不同的地区可能会有不同的降雨量，因此分区域监测控制会有效的区分高速公路上的局部降雨和大范围降雨。

3、通过对不同的降雨强度设定最大最小限速值，对系统和方法做出进一步优化。

4、通过对超速抓拍系统的抓拍速度基准值延时赋值，实现合理的动态超速抓拍。

附图说明

图1为本发明一实施例的控制系统结构示意图。

图2为本发明一实施例的方法流程图。

图3为本发明一实施例的数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明一实施例的控制系统结构示意图，它包括在各路段上沿公路行驶方向设置的车辆检测器(本实施例选用最常用的环形线圈检测器)、雨量计、可变限速标志牌VSLS(本实施例选用太阳能供电的VSLS)和超速抓拍系统，上述各设备分别通过无线网络与交通控制机连接，交通控制机用于接收并根据车辆检测器检测的交通流量和雨量计测量的降雨量判断找出动态瓶颈路段，利用非线性规划的二次规划算法，并结合各路段车速的约束条件，依次求出各路段的最优化限速值在对应路段的可变限速标志牌上显示，并依据最优化限速值控制超速抓拍系统对超速车辆进行抓拍；动态瓶颈路段指降雨量最多的路段，若存在多个降雨量最多的路段，则在降雨量最多的路段中选取交通流量最多的路段。本实施例中，每路段长度为2km，每路段各设置一个车辆检测器、雨量计和可变限速标志牌，超速抓拍系统安装在各可变限速标志牌下游100m处。

可变限速控制方法如图2所示，包括以下步骤：

1)通过对实时降雨量及交通流量的采集，选定动态瓶颈路段；设定周期时间，每周期选定一次动态瓶颈路段；

2)采用二次规划算法在约束条件下求解优化方程J(k)取得最小值时所对应的当前周期第i路段限速值v_c，i(k)，如图3所示：

$>J\left(k\right)=T\underset{j=\mathrm{kT}}{\overset{\mathrm{kT}+N_p}{\Sigma }}\left\{\underset{i\in I}{\Sigma }{\rho }_i\left(j\right)L_i{\lambda }_i\right\}+\underset{i\in I}{\Sigma }{\left[\frac{v_{c,i}\left(k\right)-v_{c,i}(k-1)}{v_{f,i}}\right]}^2;$>

式中，T为周期时间，k为当前周期所在的周期数，j为时间变量，N_p为预测时间且N_p＜T(本实施例中，每个周期T均为5min，将每周期的5min分为预测时间N_p＝3min和控制时间N_c＝2min)，ρ_i(j)为j时刻第i路段的交通流量密度，L_i为第i路段的长度(本实施例均为2km)，λ_i为第i路段的车道数，i为路段变量，I表示动态瓶颈路段的上游区域，v_c，i(k)为当前周期第i路段限速值，v_c，i(k-1)为上一周期第i路段限速值，v_f，i为第i路段自然车速；

其中约束条件包括：v_c，i(k)在集合{40、50、60、70、80、90、100、110、120}中取值，v_c，i(k)的初始值为v_f，i；为了使得相邻路段车速、同一路段相邻周期的车速能够平缓过渡，设置速度差阈值v_vary(本实施例中设定为20km/h)，使得v_c，i(k)-v_c，i(k-1)≤v_vary，v_c，i(k)-v_c，i+1(k)≤v_vary，v_c，i(k)-v_c，i+1(k-1)≤v_vary，其中v_c，i+1(k)为第i+1路段第k周期限速值，v_c，i+1(k-1)为第i+1路段第k-1周期限速值；各路段的交通流量密度与速度的关系为$>v_{c,i}\left(k\right)\le \left\{120\exp \right[-\frac{1}{1.64}{\left(\frac{{\rho }_i\left(k\right)}{180}\right)}^{1.64}\left]\right\},$>式中ρ_i(k)为第k周期平均交通流量密度；为了能够根据降雨强度设置更为合理的限速值，设置最大限速值v_max和最小限速值v_min，使得v_min≤v_c，i(k)≤v_max；当降雨强度不大于1.0mm/h时，v_max＝100km/h；当降雨强度大于1.0mm/h且不大于2.6mm/h时，v_max＝90km/h；当降雨强度大于2.6mm/h且不大于4.4mm/h时，v_max＝80km/h；当降雨强度大于4.4mm/h时，v_max＝60km/h；

3)将各路段当前周期的限速值发送给对应的可变限速标志牌显示，并发送给对应的超速抓拍系统根据当前限速值对抓拍阈值进行调整，并实施抓拍；在超速抓拍系统抓拍时，若抓拍速度基准值V₀大于v_c，i(k)，则将v_c，i(k)的数值在延时时间t(本实施例设定为30s)后赋给V₀。

通过感应线圈检测器及雨量计对各路段的交通流量密度和降雨量进行实时采集；系统根据各路段的实时交通流量及降雨强度对限速值进行动态调整，使各路段在保障交通安全的前提下，实现其最大通行能力，同时根据当前限速值对超速车辆进行抓拍。本发明可实现各种降雨强度下高速公路多条路段可变限速协调控制，保障雨天环境下高速公路的安全、高效运行。